振蕩提取-熒光分光光度法分析土壤樣品中石油類物質(zhì)

李媛，段小燕，施玉格，李剛

（新疆生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830011）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 人類對能源需求不斷擴大，石油被大量開采和廣泛使用。在石油開采、加工和利用過程中，石油及其產(chǎn)品可能會進入土壤，引起土壤諸多物理性能改變，對農(nóng)作物的生長造成極大的負面影響[1]。石油類也可經(jīng)食物鏈在動植物體內(nèi)逐級富集[2]，或通過呼吸道、皮膚接觸等途徑進入人體，直接危害人體健康[3-4]。生態(tài)環(huán)境部在2018年將石油烴類物質(zhì)列為地下水質(zhì)量標準必測項目，同年頒布的《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)將石油烴列為管控項目，并明確了風險篩選和管控的限值要求[5-6]。

目前土壤中石油類物質(zhì)的檢測分析常用前處理方法有索氏提取、快速溶劑萃取、振蕩提取、超聲提取等[7-10]，分析方法主要有重量法、氣相色譜法、紫外光譜法、紅外法、熒光光譜法等[11-14]。由于石油類污染物組成復(fù)雜，現(xiàn)有分析方法各有優(yōu)缺點?！锻寥篮统练e物 石油烴(C10～C40)的測定 氣相色譜法》(HJ 1021—2019)和《土壤和沉積物 石油烴(C6～C9)的測定 吹掃捕集/氣相色譜法》(HJ 1020—2019)能夠?qū)κ蜔N總和進行定性及定量分析，但目標化合物僅限于標準中規(guī)定的C10～C40和C6～C9石油烴類物質(zhì)。《土壤 石油類的測定 紅外分光光度法》(HJ 1051—2019)優(yōu)點是測定結(jié)果不受油品影響，檢測結(jié)果為烷烴、環(huán)烷烴及芳烴總和，但該方法對芳香烴類化合物靈敏度較低，提取劑四氯乙烯具有致癌毒性[15]、化學(xué)穩(wěn)定性差、價格較高等缺點。因此，亟待探索建立一種綠色環(huán)保、快速、準確地土壤石油類物質(zhì)的檢測方法。

熒光分光光度法具有樣品用量少、前處理簡單、靈敏度高，針對芳香烴物質(zhì)響應(yīng)強等特點。左兆陸等[16-17]系統(tǒng)地研究了激光誘導(dǎo)熒光法在土壤石油烴類污染物測量技術(shù)及應(yīng)用。魏玲[18]研究了石油產(chǎn)品及其污染土壤中多環(huán)芳烴的熒光光譜特征。本文選取毒性較低、穩(wěn)定性好、提取率高的正己烷為提取溶劑，將振蕩提取和熒光分光光度法有機結(jié)合，建立了一種土壤中石油類物質(zhì)的檢測方法。

1 實驗部分

1.1 儀器

熒光分光光度計(魯美科思Fluorat-02：激發(fā)波長250～700nm，發(fā)射波長250～700nm)，并配1cm石英熒光比色皿。紅外測油儀(OIL-480，北京華夏科創(chuàng)股份有限公司)。水平振蕩器：振蕩頻率在0～300r/min。天平：感量為0.01g 和0.0001g。

1.2 主要試劑及材料

正己烷(C6H14)：色譜純；無水硫酸鈉(Na2SO4)：于550℃下灼燒4h，冷卻后裝入磨口玻璃瓶中，置于干燥器內(nèi)貯存；石英砂：20～50 目，于550℃下灼燒4h，冷卻后裝入磨口玻璃瓶中，置于干燥器內(nèi)貯存；硅酸鎂(MgSiO3)：60～100 目，于550℃下灼燒4h，冷卻后稱取適量硅酸鎂于磨口玻璃瓶中，根據(jù)硅酸鎂的質(zhì)量，按6%(質(zhì)量比) 的比例加入適量蒸餾水，密塞并充分振蕩數(shù)分鐘，放置12h。

石油類標準儲備液：國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心研制的海洋環(huán)境監(jiān)測石油成分分析標準物質(zhì)(濃度1000mg/L，編號GBW(E)080913)，自配的食用油標準溶液(濃度為500mg/L)。

玻璃棉：用正己烷浸洗并晾干，置于干燥玻璃瓶中，備用；硅酸鎂吸附柱：將內(nèi)徑10mm、長約200mm 的玻璃層析柱出口處填塞少量玻璃棉，再將硅酸鎂緩緩倒入玻璃層析柱中，邊倒邊輕輕敲打，填充高度約為80mm；玻璃纖維濾膜：于450℃下灼燒4h，冷卻后裝入干燥玻璃容器中，置于干燥器內(nèi)貯存。中速定性濾紙：用正己烷多次浸洗并晾干，置于干燥玻璃容器中密封備用。

1.3 樣品采集與制備

為建立不同污染類型來源、不同污染程度的土壤樣品中石油類物質(zhì)的測定方法，本實驗所用實際樣品分別采自于新疆不同地區(qū)，包括：某焦化廠土壤2 份(編號：1-1 和3-5)、某煉鐵廠土壤2 份(編號：1-2 和3-4)、某化纖廠土壤1 份(編號：1-3)、某化肥廠土壤1 份(編號：1-4)、某石化廠土壤2 份(編號：1-5和3-3)、某電廠廠界內(nèi)土壤2 份(編號：1-6 和3-2)、伊犁州農(nóng)用地土壤2 份(編號：2-1 和3-1)、喀什地區(qū)農(nóng)用地土壤1 份(編號：2-2)、和田地區(qū)農(nóng)用地土壤1 份(編號：2-3)、克州地區(qū)農(nóng)用地土壤1 份(編號：2-4)。樣品分析前需除去樣品中的異物(石子、植物葉片根須等)，并將樣品充分混勻。

1.4 樣品前處理

稱取混合后的樣品10g(精確至0.01g)，加入20g 無水硫酸鈉，研磨均化至流沙狀，轉(zhuǎn)至具塞錐形瓶中，加入溶劑正己烷40mL，振蕩提取30min，靜置10min 后倒出上清液；再次加入正己烷40mL，振蕩提取30min，合并提取液至100mL 比色管中，最后用20mL 正己烷洗滌土壤、錐形瓶等，洗滌液一并轉(zhuǎn)入該比色管中。將提取液全部經(jīng)過硅酸鎂吸附柱(直徑為1cm)吸附凈化去除動植物油等干擾物，棄去前5mL 流出液，剩余流出液放置于100mL 具塞錐形瓶中，待測。土壤樣品干物質(zhì)含量按照《土壤 干物質(zhì)和水分的測定 重量法》(HJ 613—2011)進行測定。

1.5 標準曲線繪制

準確移取0.00、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00mL 石油類標準使用液(ρ=100 mg/L)于7 支50mL 容量瓶中，用正己烷稀釋至標線，搖勻。標準系列濃度分別為0.00、0.20、1.00、2.00、4.00、10.0和20.0mg/L。在激發(fā)波長為275nm、發(fā)射波長為315nm 條件下，使用1cm 石英熒光比色皿，以正己烷為參比，測量熒光強度。以石油類濃度為橫坐標，以熒光強度為縱坐標，建立標準曲線。

1.6 樣品測定

將試樣轉(zhuǎn)移到10mm 比色皿中，以正己烷為參比，在激發(fā)波長為275nm、發(fā)射波長為315nm 條件下測量熒光強度，計算石油類濃度。計算公式如下：

式中：w—土壤中石油類含量(mg/kg)；ρ—試樣中石油類濃度(mg/L)；V—提取液定容體積(mL)；m—土壤樣品質(zhì)量(g)；wdm—土壤干物質(zhì)含量(%)。

2 結(jié)果

2.1 方法精密度

對新疆某焦化廠(1-1)、某煉鐵廠(1-2)、某化纖廠(1-3)、某化肥廠(1-4)、某石化廠(1-5)、某電廠廠界內(nèi)(1-6) 土壤，以及伊犁州(2-1)、喀什地區(qū)(2-2)、和田地區(qū)(2-3)、克州地區(qū)(2-4) 四個地州農(nóng)用地土壤，按樣品分析步驟全程序，每種類型實際樣品平行測定6 次。計算平均值、標準偏差(SD)及相對標準偏差(RSD)，測定結(jié)果見表1。土壤測定的RSD 在2.5%～9.2%之間。

表1 實際樣品石油類物質(zhì)的測定精密度Table 1 The precision results of petroleum oil in different actual soil samples.

2.2 方法準確度

對新疆土壤樣品1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6，以及伊犁州四個地州農(nóng)用地土壤2-1、2-2、2-3、2-4 進行加標回收實驗，加標量含量為10mg/kg、20mg/kg、50mg/kg、100mg/kg。按樣品分析步驟全程序，每種類型實際土壤加標樣品平行測定6 次。計算平均值及加標回收率，測定結(jié)果分別見表2 和表3。實際樣品加標回收率為80.0%～110.0%。

表2 化工廠廠界周邊土壤樣品中石油類物質(zhì)的準確度測定結(jié)果Table 2 The accuracy results of petroleum oil in perimeter soil samples from the chemical plant.

表3 農(nóng)用地土壤樣品中石油類物質(zhì)的準確度測定結(jié)果Table 3 The accuracy results of petroleum oil in soil samples from agricultural land.

2.3 方法檢出限

稱取10g 烘烤過的石英砂7 份，分別往每份石英砂中加入HJ 標油100μg( 移取1mL 濃度為100mg/L 的HJ 標油)，對應(yīng)土壤中石油類含量為10mg/kg，進行測定，計算7 次平行測定的標準偏差(SD)為0.726mg/kg。根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)，檢出限計算公式MDL=t×SD 計算，4 倍檢出限為方法的測定下限。當重復(fù)7 次測定時t=3.143，經(jīng)計算本方法檢出限為3mg/kg，測定下限為12mg/kg。該方法檢出限能夠滿足現(xiàn)有標準限值和篩選值的要求。

3 討論

3.1 測定波長的選擇

測定石油類物質(zhì)濃度主要是測定石油中的共軛成分。中國采用熒光分光光度法測定水中石油類的標準分析方法，如《生活飲用水檢驗方法》(GB 5750—2006)中規(guī)定在300～400nm 之間掃描，以確定最大吸收峰位置。《水質(zhì) 石油類的測定 分子熒光光度法》(SL 366—2006)、《海洋監(jiān)測規(guī)范 第4 部：海水分析》(GB 17378.4—2007)均采用310nm、360nm作為激發(fā)波長和發(fā)射波長。俄羅斯標準中采用275nm、315nm 作為激發(fā)波長和發(fā)射波長。石油類標準物質(zhì)在310nm 作為激發(fā)波長和360nm 作為發(fā)射波長，以及在275nm 作為激發(fā)波長和315nm 作為發(fā)射波長的條件下均有熒光響應(yīng)。在兩種不同激發(fā)和發(fā)射波段下分別繪制標準曲線，線性相關(guān)系數(shù)均≥0.999，不同濃度儀器響應(yīng)值見圖1。圖1 表明，在275nm 作為激發(fā)波長和315nm 作為發(fā)射波長條件下，較310nm 作為激發(fā)波長和360nm 作為發(fā)射波長有更好的熒光響應(yīng)，靈敏度更高。故本文選用275nm作為激發(fā)波長和315nm 作為發(fā)射波長。

圖1 不同波長下石油類物質(zhì)響應(yīng)值測定結(jié)果Fig. 1 The measured response values of petroleum oil at different wavelengths.

3.2 土壤樣品取樣量

分別稱取石英砂5g、10g、15g 和20g 四個樣品量，加入一定體積石油類標準溶液，制備成濃度為50mg/kg 模擬樣品，按照分析步驟進行樣品的分析，計算結(jié)果的平均值及相對標準偏差。結(jié)果表明：4 個樣品測定結(jié)果的相對標準偏差(3.2%～3.5%)差別不大，取樣量為5g、10g 時的回收率(94%) 高于取樣量15g、20g 時的回收率(88%)?？紤]到土壤樣品的均勻性差及測定結(jié)果的代表性，本方法確定樣品取樣量為10g。

3.3 振蕩提取條件優(yōu)化

3.3.1 提取頻率和時間

選擇濃度約為50mg/kg 實際土壤樣品，分別在振蕩頻率100、150、200、250r/min 及振蕩時間10、20、30、40、50、60min 的實驗條件下測定樣品中石油類的濃度。結(jié)果表明：隨著振蕩時間的延長、振蕩頻率的增加，樣品測定值增大，當振蕩時間30min 以后，振蕩頻次增加至200r/min 后，樣品測定結(jié)果趨于穩(wěn)定?？紤]到振蕩頻率過高，具塞錐形瓶很可能掙脫彈簧被甩出振蕩器，造成危險。綜合考慮選擇本方法提取條件確定為：以200r/min 振蕩30min。

3.3.2 提取次數(shù)

選擇濃度約為50mg/kg 實際土壤樣品，振蕩頻率為200r/min，振蕩時間為30 min，振蕩提取次數(shù)分別為1 次、2 次、3 次。結(jié)果表明：萃取次數(shù)對樣品測定結(jié)果的精密度及測定結(jié)果影響不大，每個提取次數(shù)測定結(jié)果的相對標準偏差分別為2.3%、2.5%和2.7%，平均測定結(jié)果分別為44mg/kg、48mg/kg 及48mg/kg?？紤]到高濃度土壤樣品提取1 次可能會出現(xiàn)提取不完全及提取過程中有機溶劑的使用量等因素，本方法確定樣品提取次數(shù)為2 次，每次用40mL 正己烷提取樣品，最后用20mL 正己烷洗滌土壤、錐形瓶，合并提取液，待凈化后測定。

3.4 凈化方式

石油類測定過程中，影響結(jié)果準確性的最大干擾物質(zhì)是動植物油類，所以需對萃取后的溶液進行凈化處理，去除動植物油類等物質(zhì)對測定結(jié)果的影響。目前常用凈化材料有硅酸鎂、氧化鋁、硅膠等。其中，氧化鋁主要適用于烴類等中性物質(zhì)的分離；硅膠適用于非極性和極性化合物；硅酸鎂的吸附特性介于氧化鋁和硅膠之間，本文選用硅酸鎂作為凈化材料。石油類最常用的兩種凈化方式，分別為振蕩吸附法和吸附柱吸附法，本文就兩種凈化方式進行了比對。向6 份10g 石英砂中分別加入1mL 濃度為500mg/L 花生油，相當于雜質(zhì)含量為50mg/kg 模擬樣品，測定振蕩吸附法和吸附柱吸附法兩種凈化方式的凈化效果。

振蕩吸附法凈化過程：向萃取液中加入5g 硅酸鎂置于旋轉(zhuǎn)振蕩器上，以180～200r/min 的速度連續(xù)振蕩20min，靜置沉淀后，上清液用于測定石油類。吸附柱吸附法凈化過程：將萃取液經(jīng)80mm 硅酸鎂(約5g)吸附柱吸附后收集于具塞磨口錐形瓶中，用于測定石油類。

另取6 份10g 石英砂，分別加入一定體積石油類標準溶液，使加標濃度為20mg/kg，測定兩種凈化方式的回收率效果，測定結(jié)果見表4。由表4 測試結(jié)果可知，在空白樣品回收率測定實驗中，兩種萃取方式均有較好的回收效果，回收率均在90%以上，說明凈化材料對石油類化合物不吸附，能夠達到回收的目的，可作為去除雜質(zhì)的吸附劑；采用振蕩方式凈化雜質(zhì)的平均去除率為89.7%，采用吸附柱方式凈化雜質(zhì)的平均去除率為100.0%。經(jīng)對比，兩種方式中，吸附劑硅酸鎂和溶劑用量基本一致，振蕩吸附法操作過程略簡單，吸附柱方式去除雜質(zhì)的效率稍好。綜合考慮，本文選用吸附柱方式進行樣品的凈化。

表4 采用不同硅酸鎂凈化方式石油類物質(zhì)的測定結(jié)果Table 4 The results of petroleum oil determined with different purification modes of magnesium silicate.

3.5 吸附柱硅酸鎂填充高度的優(yōu)化

針對影響石油類結(jié)果準確性的最大干擾物質(zhì)是動植物油類，本文采用魯花花生食用油作為模擬干擾物質(zhì)進行吸附柱硅酸鎂填充高度的優(yōu)化。稱取0.5g 魯花花生食用油，用正己烷定容至1L，得到濃度為500mg/L 的植物油，雜質(zhì)折合到10g 樣品中相當于50mg/kg 雜質(zhì)含量。分別填充高度為40、60、80、100、120mm 高度的硅酸鎂吸附柱，對1mL 植物油溶液進行吸附后，測定流出液中植物油濃度。測定結(jié)果(表5)表明，當填充硅酸鎂高度為80mm 時，對植物油的吸附效率達到100.0%，能夠滿足絕大多數(shù)土壤分析的需求?？紤]到硅酸鎂本身對某些非動植物油的極性物質(zhì)也有吸附，用量不宜過高，因此確定使用硅酸鎂填充高度為80mm 吸附柱。

表5 不同硅酸鎂填充高度對植物油的吸附效率Table 5 The absorption efficiency of vegetable oil with different height of magnesium silicate extraction column.

3.6 與現(xiàn)行標準分析方的比對

采用本文研究的分析方法與現(xiàn)行標準方法(HJ 1051—2019)中的紅外分光光度法，對5 種實際土壤樣品進行3 次重復(fù)試驗，測定結(jié)果見表6。農(nóng)田土壤兩種方法測定結(jié)果均未檢出，熒光法的檢出限較紅外法低。從實際樣品的分析測定結(jié)果來看，有檢出物的樣品中其紅外分光光度法測定結(jié)果略高于熒光分光光度法，分析其原因是部分化合物在紅外分光光度法三個譜帶處(2930cm-1、2960cm-1、3030cm-1)有特征吸收，而在本文所選用的激發(fā)波長和發(fā)射波長下無熒光響應(yīng)或熒光響應(yīng)低。依據(jù)標準HJ 1051—2019，平行樣偏差應(yīng)滿足≤30% 要求。本文對4 種不同企業(yè)廠界內(nèi)表層土壤樣品測定結(jié)果進行比對，相對偏差在5.0%～15.0%之間，兩種方法的測定結(jié)果有較好的一致性。

表6 本文的熒光分光光度法與紅外分光光度法(現(xiàn)行標準方法)比對結(jié)果Table 6 Comparison of analytical results of petroleum oil determined with fluorescence spectrophotometry (this method) and infrared spectrophotometry (standard methods).

4 結(jié)論

建立了以正己烷為萃取溶劑，振蕩提取作為前處理方法，用熒光分光光度法為檢測手段對土壤樣品中石油類物質(zhì)含量進行測定的分析方法。經(jīng)實際樣品驗證，方法精密度好、準確性高。本方法使用的提取溶劑對環(huán)境友好，前處理簡單高效，儀器設(shè)備成本低，對芳香烴類石油污染物有較高的特性。經(jīng)驗證，方法性能指標滿足土壤監(jiān)管需求，檢測結(jié)果與現(xiàn)有標準具有較好一致性，可為現(xiàn)有土壤石油類的分析檢測工作提供技術(shù)支持。

熒光分光光度法是一種特異性較高的分析方法，僅能測定芳香烴類石油污染物的含量，無法定量分析直鏈烷烴類石油污染物。另外，熒光分光光度法靈敏度很高，對于石油類物質(zhì)含量較高的土壤，可以通過調(diào)整取樣量、稀釋等方法進行檢測。但值得注意的是，取樣量過少，會影響樣品代表性，導(dǎo)致檢測結(jié)果有差異。因此，對于高污染土壤樣品中石油類物質(zhì)的分析，需要開展進一步的研究。

Determination of Petroleum Oil in Soil by Fluorescence Spectrophotometry with Oscillatory Extraction

LI Yuan，DUAN Xiaoyan，SHI Yuge*，LI Gang
（Ecology and Environmental Monitoring Center of Xinjiang, Urumqi 830011, China）

HIGHLIGHTS

(1) Then-hexane has the advantages of low toxicity, chemical property stability, environmental friendliness, and high extraction efficiency as an extraction solvent.

(2) With 275nm as the excitation wavelength and 315nm as the emission wavelength, the fluorescence response was better and the sensitivity was higher.

(3) The detection limit was 3mg/kg, the results of fluorescence spectrophotometry were consistent with those of infrared spectrophotometry.

ABSTRACT BACKGROUND:As an important index of soil environmental quality, the determination of petroleum oil has become one of the must-test items in environmental monitoring. The gravimetric method is not suitable for the purpose of environmental monitoring because it can only be used for the determination of non-volatile substances and has low sensitivity. Gas chromatography is mainly used for the determination of C10-C40saturated alkanes in samples. The infrared spectrometry used characteristic absorption at different wavenumber to characterize the content of petroleum substances in the samples, but the response of infrared spectrometry to aromatic hydrocarbons is not sensitive.OBJECTIVES:To establish a simple pre-treatment efficiency, low detection limit and good reproducible method for determination of petroleum oil in soil.METHODS:Usingn-hexane as the solvent, adsorption column as the extraction method and oscillatory as the pretreatment method, petroleum oil was extracted from soil and determined by fluorescence spectrophotometry.RESULTS:Under the optimal conditions that with 275nm as the excitation wavelength and 315nm as the emission wavelength，the extraction solvent wasn-hexane and the extraction method was adsorption column, the calibration curves of petroleum oil were linear with correlation coefficients 0.999, and the detection limit was 3mg/kg. The relative standard derivations (RSDs) were from 2.5% to 9.2% and the average spiked recoveries were between 80.0% and 110%. Compared with the currently valid infrared spectrometry method (HJ 1051—2019), the results of the two methods were consistent.CONCLUSIONS:The solvent ofn-hexane has higher toxicity and stability than tetrachloroethene, and better environmental friendliness. The oscillatory extraction method is simple and easy to operate. The detection limit of this method is lower than that of infrared spectrometry (4mg/kg), and the precision and accuracy of the method is good. This method can be used as a supplement to the existing methods for the detection of petroleum in soil.

KEY WORDS：soil；petroleum oil；oscillatory extraction；fluorescence spectrophotometry； hexane